Bateria de estado sólido: o futuro dos veículos elétricos

Atualmente, a preocupação com a autonomia continua a ser o maior obstáculo à substituição global completa dos carros a gasolina por veículos com novas energias. Embora muitos fabricantes de automóveis, como a Tesla com o seu Supercharger V4 e a Xpeng com o seu Supercharger S4, tenham introduzido tecnologias de carregamento rápido, estas estações de carregamento não são apenas caras, mas também carecem de ampla cobertura. Para realmente resolver as preocupações de autonomia, apenas baterias com alta densidade de energia podem oferecer uma solução.

À luz dos desenvolvimentos recentes, nos últimos anos a China, o Japão, a Coreia do Sul e a Europa concentraram-se no desenvolvimento de sistemas de estado sólido.baterias com maior densidade de energia. Com base na escolha do eletrólito, estas regiões adotaram três caminhos tecnológicos distintos:

• Europa: Focando principalmente em polímeros (com uma condutividade de cerca de 10-7-10-5S/cm) como eletrólito para baterias de estado sólido. No entanto, devido à baixa condutividade dos polímeros, as baterias de estado sólido produzidas em massa na Europa oferecem menos alcance do que as baterias de lítio líquido com a mesma capacidade.
• Japão e Coreia do Sul: A sua principal ênfase está nos sulfetos (com uma condutividade de cerca de 10-3-10-2S/cm) como eletrólito. Embora este material possua condutividade ideal, seu complexo processo de fabricação e a inclusão de metais raros têm dificultado sua comercialização.
• China: Predominantemente recorrendo a óxidos (com uma condutividade em torno de 10-6-10-3S/cm) como eletrólito. Dada a rigidez e alta porosidade do material, que pode impedir o bom fluxo de íons, a tecnologia atual necessita da inclusão de um eletrólito, produzindo uma bateria de estado semissólido. Isto, no entanto, reduz a densidade de energia da bateria. Como resultado, embora estas baterias de estado semi-sólido feitas de óxidos tenham sido incorporadas em modelos topo de gama por empresas como a NIO e a Dongfeng, a sua relação custo-eficácia não foi suficientemente impressionante para garantir a produção em grande escala.

Saindo desses caminhos tecnológicos convencionais, pesquisadores da Universidade de Ciência e Tecnologia da China desenvolveram recentemente oxicloreto de zircônio e lítio. Em termos de condutividade iônica, deformabilidade e custo, este material supera tanto os óxidos quanto os sulfetos. O advento do oxicloreto de lítio e zircônio pode fornecer à indústria uma solução inovadora e pronta para uso.

Pioneiros europeus: a aventura do Grupo Bolloré na tecnologia de baterias de estado sólido

As empresas europeias de energia limpa utilizam principalmente polímeros como eletrólito no seu esforço para avançar com a investigação sobre baterias de estado sólido. Um player notável neste espaço é o Grupo Bolloré francês. Em 2011, o Grupo Bolloré, como o primeiro operador mundial a utilizar baterias de estado sólido num projeto de veículo elétrico, revelou o seu veículo elétrico desenvolvido internamente, o Bluecar. Este veículo foi equipado com uma bateria de estado sólido de polímero de lítio metálico de 30 kWh produzida por sua subsidiária Batscap, com autonomia de 120 km.

Porém, vale destacar que a bateria de estado sólido de polímero de lítio metálico do Grupo Bolloré, com capacidade de 30 kWh, conseguiu autonomia de apenas 120 km. Em contraste, o Modelo 3 da Tesla, equipado com uma bateria líquida de 60 kWh, pode atingir uma autonomia superior a 400 km. Fazendo as contas, um modelo Tesla equipado com uma bateria líquida de 30 kWh pode ultrapassar um alcance de 200 km, superando claramente o Bolloré Bluecar.

A principal razão para o alcance significativamente reduzido do Bluecar em comparação com o Tesla, mesmo quando equipado com baterias da mesma capacidade, é a baixa condutividade das baterias de estado sólido que usam polímeros como eletrólito. Esta limitação também sublinha a razão pela qual, apesar de ser o primeiro na Europa a produzir baterias de estado sólido em massa, a sua adoção generalizada permanece indefinida. Confrontadas com este estrangulamento, outras grandes empresas europeias de energia limpa procuraram estratégias alternativas: parcerias com empresas líderes globais de baterias de estado sólido para manter uma vantagem competitiva no futuro sector das baterias automóveis.

Por exemplo, a Volkswagen investiu pesadamente na empresa de baterias de estado sólido QuantumScape, que está listada publicamente nos EUA. No final de 2014, a Volkswagen já detinha 5% das ações da QS. Em 2018 e 2020, o Grupo Volkswagen fez dois investimentos separados na QS, investindo 300 milhões de dólares cada vez, tornando-se o maior acionista da empresa.

Em conjunto com isto, ambas as empresas também estabeleceram uma joint venture, com o objetivo de construir uma linha de produção de baterias de estado sólido até 2025. Com apoio financeiro significativo, a tecnologia da QuantumScape tem avançado continuamente. Por exemplo, as baterias anteriores de camada única QS, sob temperatura e pressão ambientes, poderiam manter 90% do seu armazenamento inicial de energia após 1.000 ciclos de carregamento a uma taxa de 1C. Agora, nas mesmas condições, as suas baterias multicamadas ainda podem reter 90% do seu armazenamento de energia após 800 ciclos.

No entanto, até à data, a QS não lançou baterias produzidas em massa, enquanto as baterias de estado sólido dos concorrentes estão gradualmente a entrar na produção em massa, aumentando a pressão sobre a QS. Na situação actual, embora a Europa tenha sido a primeira a comercializar baterias de estado sólido, a baixa condutividade dos polímeros e as incertezas em torno da viabilidade comercial das empresas investidas retardaram o seu avanço no domínio das baterias de estado sólido.

Gigantes japoneses lideram patentes de baterias de estado sólido à base de sulfeto

Os sulfetos, antes considerados os eletrólitos mais promissores em baterias de estado sólido, possuem diversas vantagens, como alta condutividade e maleabilidade. No entanto, a abordagem tecnológica de utilização de sulfetos como eletrólitos apresenta um processo de produção mais complexo. Por exemplo, durante o processo de fabricação, os sulfetos podem reagir com a água e o oxigênio do ar, produzindo o gás altamente tóxico de sulfeto de hidrogênio. A resolução deste problema exige o refinamento do processo de produção, o que subsequentemente aumenta os custos.

Para avançar na corrida energética, as empresas japonesas e coreanas de energia limpa demonstraram uma preferência distinta pela utilização de sulfetos como electrólito nas suas baterias de estado sólido. Esta complexidade nos procedimentos tecnológicos obrigou estas empresas a intensificarem as suas pesquisas no domínio das baterias de estado sólido, levando-as a acumular um portfólio significativo de patentes técnicas.

De acordo com dados divulgados pela Nikkei Chinese Web em colaboração com a empresa de pesquisa de patentes Patent Result, de 2000 até o final de março de 2022, as principais empresas de baterias de energia em termos de patentes de baterias de estado sólido divulgadas publicamente foram a Toyota, com 1.331 patentes; seguida pela Panasonic Holdings com 445 patentes; e Showa Shell Sekiyu ficou em terceiro lugar com 272 patentes. Todas as três empresas japonesas concentram sua pesquisa e desenvolvimento em baterias de estado sólido à base de sulfeto, sendo a Toyota a mais avançada. Já em 22 de junho de 2017, a Toyota havia solicitado uma patente nos EUA para uma bateria de estado sólido usando sulfetos como eletrólito.

Recentemente, a Toyota revelou à mídia que desenvolveu uma bateria de estado sólido com capacidade de autonomia de 1.200 quilômetros, carregando em apenas 10 minutos, com planos de introduzir no mercado veículos equipados com essas baterias até 2025. Apesar da ambição da Toyota de massificar -produzir veículos equipados com baterias de estado sólido utilizando sulfetos como eletrólito, as complexidades técnicas aliadas aos altos custos devido ao uso de numerosos metais raros podem dificultar a adoção em larga escala.

Atualmente, o preço médio global do eletrólito nas baterias de íons de lítio não excede US$ 10/kg. Em contraste, o material primário para o eletrólito sólido de sulfeto, Li2S, varia de US$ 1.500 a US$ 2.000/kg. Isso significa que o eletrólito de sulfeto custa mais de 150 vezes o preço do eletrólito usado nas baterias de íon-lítio.

Desenvolvimento de baterias de estado sólido na China: eletrólitos de óxido lideram o caminho

As empresas nacionais, reflectindo as tendências europeias, utilizam principalmente óxidos como electrólito para impulsionar a investigação e o desenvolvimento de baterias de estado sólido. Segundo dados incompletos, após 2022, diversas montadoras chinesas começaram a incorporar baterias de estado semissólido em seus modelos. Especificamente, modelos como o ES6 da NIO, o E70 da Dongfeng e o Zhui Feng da Lantu apresentam predominantemente baterias com eletrólitos à base de óxido.

No entanto, baterias de estado sólido que empregam óxidos como eletrólitos apresentam dureza intrínseca. Dado que as partículas de óxido existem numa forma de contacto pontual, as baterias de estado sólido resultantes não só possuem fraca maleabilidade, mas também exibem uma elevada porosidade. Essa textura rígida pode causar fraturas eletrolíticas, interrompendo a transmissão de íons. A alta porosidade pode impedir as vias de transferência de íons dentro do sistema de bateria. Consequentemente, para garantir que as partículas de material ativo mantenham contato ideal e transmissão de íons mesmo quando ocorrem rachaduras ou quebras, as baterias de estado sólido com eletrólitos de óxido são naturalmente adequadas para um formato híbrido sólido-líquido. Este design híbrido integra a camada de eletrólito de óxido sólido e um eletrólito líquido que preenche os poros, evitando efetivamente os problemas acima mencionados.

No entanto, as baterias de estado sólido que incorporam líquidos, devido ao seu conteúdo reduzido de eletrólitos sólidos, não desfrutam do mesmo aumento de densidade de energia que as baterias totalmente sólidas. Por exemplo, a bateria de estado semi-sólido do ES6 tem uma densidade de energia de 360wh/kg. Como resultado, embora as baterias chinesas de estado semissólido tenham alcançado a comercialização, o seu modesto aumento na densidade de energia, a menor condutividade do que o lítio líquido e o elevado custo dos eletrólitos de óxido podem relegá-las a produtos de transição na evolução das baterias.

Mudando nosso foco, a recente descoberta da Universidade de Ciência e Tecnologia da China apresenta um novo eletrólito de estado sólido – oxicloreto de zircônio e lítio. Este eletrólito inovador apresenta desempenho comparável aos mais avançados eletrólitos de estado sólido de sulfeto e óxido, mas com apenas 4% do custo deste último. Este é inegavelmente um desenvolvimento revolucionário no setor chinês de baterias de estado sólido.

Esta introdução do oxicloreto de lítio e zircônio significa avanços simultâneos nos aspectos de desempenho e custo dos eletrólitos de estado sólido. No entanto, esta tecnologia está atualmente em fase de laboratório. Se pode ser produzido em larga escala permanece uma incerteza significativa. Independentemente disso, a descoberta do oxicloreto de zircônio e lítio tem implicações profundas para a comercialização de baterias de lítio totalmente em estado sólido.

No cenário atual, os três principais eletrólitos de baterias de estado sólido – polímeros, óxidos e sulfetos – apresentam falhas inerentes sem soluções imediatas à vista. Isto fez com que a atual produção em pequena escala de baterias de estado sólido não fosse tão rentável para a integração de veículos como as suas contrapartes líquidas. No entanto, o oxicloreto de lítio e zircónio recentemente desenvolvido por investigadores chineses pode apenas lançar um raio de esperança, revolucionando potencialmente a indústria de baterias de estado sólido e abordando a ansiedade de autonomia associada às novas baterias energéticas.